Учёные научились «рисовать» светящиеся схемы на кристаллах с помощью электронов

Катодолюминесцентное гиперспектральное изображение узора «Lee» (слева вверху); Хэ Йон Ли и Ифэн Лю (слева внизу) и экран установки. Автор: Jorge Vidal/Rice University

Исследователи из Университета Райса использовали сфокусированный электронный пучок для нанесения функциональных элементов с субмикронной точностью непосредственно на ультратонкий кристалл. Этот метод позволил создать линии уже ширины спирали ДНК, которые светятся ярко-синим светом и проводят электричество, демонстрируя потенциал для производства компактной межсоединительной проводки и встроенных источников света прямо на чипе.

«Электронный пучок работает, по сути, как наноразмерный карандаш», — пояснила Хэ Йон Ли, доцент материаловедения и наноинженерии и один из авторов исследования, опубликованного в Nano Letters. «Это одношаговый способ рисовать источники света и провода в масштабах, где контроль с помощью традиционных методов, таких как литография, достичь сложно».

Команда работала с оксидом молибдена — кристаллом, состоящим из стопки ультратонких слоёв, связанных слабыми силами притяжения, известными как силы Ван-дер-Ваальса. В отличие от химических связей, удерживающих атомы в объёмных трёхмерных структурах, силы Ван-дер-Ваальса действуют между атомарно-тонкими слоями. Это делает материалы, управляемые этими силами, высоконастраиваемыми — качество, которое материаловеды надеются использовать в устройствах следующего поколения.

Автор: Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c03617

Исследователи проверили идею, что высокоэнергетические электроны могут действовать как крошечные молоточки, выбивая атомы кислорода из решётки оксида молибдена. Эти отсутствующие атомы — так называемые кислородные дефекты — заставляли кристалл ярче светиться и легче проводить ток.

«Там, где электронный пучок "писал", синее свечение быстро усиливалось и оставалось ярким», — сказал Ифэн Лю, научный сотрудник Университета Райса. «Эти узоры также стали в сотни раз более проводящими, формируя чёткие встроенные провода».

Благодаря тому, что пятно электронного пучка очень мало, узоры достигали масштабов всего в несколько сотен нанометров. Такая точность открывает возможность интеграции светящихся дорожек и наноразмерной проводки непосредственно в чипы, сенсоры и другие устройства.

Ифэн Лю (слева) и Хэ Йон Ли работают на новой системе катодолюминесцентной спектроскопии. Автор: Jorge Vidal/Rice University

Работа стала возможной благодаря новой системе катодолюминесцентной спектроскопии в Университете Райса. Исследователи использовали инструмент как для создания кислородных дефектов в кристаллах оксида молибдена, так и для регистрации испускаемого в процессе света. Это позволило им в реальном времени отслеживать изменения в кристаллической решётке и характеризовать новые свойства.

«Что особенно интересно в этой работе, так это достижение всех этих эффектов одновременно. Мы не выполняем отдельные шаги для оптики и электроники. Мы "рисуем" и то, и другое сразу, в одном материале, с очень высокой точностью», — добавил Лю.

Учёные считают, что метод можно распространить и на другие оксиды Ван-дер-Ваальса, что откроет новые возможности для проектирования оптоэлектронных устройств следующего поколения.